通过改进锂离子电池技术来提高低碳系统的能效

《Fuel》：Optimizing energy efficiency in low-carbon systems by advancement of li-ion battery technology

　　**摘要**
高效储能系统是可持续清洁能源工业过程应用中的关键目标。本研究探讨了一种高能量密度锂离子电池系统的设计、优化与评估，该电池系统的容量为6000毫安时（mAh），专为清洁能源生产系统设计。在实验研究中，采用高分辨率电化学技术（包括阻抗谱分析）对充放电过程进行建模，以在独立时间尺度上准确控制能量系统，同时利用热力学定律和库仑效率。通过对1000次循环中的电流、电压和功率进行动态验证，在受控测试条件下观察到往返能量效率从43%提升至56%。通过降低极化损失（通过电压和库仑效率分析实现），这种能量效率得到了稳定。使用有限元方法验证了这种热稳定性，该方法通过热电偶测量（模拟与实验之间的温差小于2°C）以及使用SolidWorks和ANSYS进行的热模拟得到了量化验证。这些测试测量结果是在25–32°C的最佳运行温度范围内获得的。与传统系统相比，优化后的电池配置和设计表现出更优的热响应、循环性能和电化学稳定性。研究结果还表明，该项目通过最小化碳强度实现了清洁能源使用的最大化。此外，本研究强调了在可持续生产基础设施中利用先进锂离子储能站的可行性。

**引言**
全球变暖的加剧推动了向更清洁的工业方法和可持续能源系统的转变，这得益于全球对可再生能源解决方案日益增长的兴趣。太阳能、风能、地热能、生物气体、氢能和燃料电池技术的广泛采用显著减少了温室气体排放。因此，可再生能源系统的长期性质突显了增强能源安全的必要性。此外，工业领域的联合循环发电厂表明需要越来越多地利用可再生能源系统以实现环境可持续性和 economic 效率。

锂离子（Li-ion）电池通过储能成为满足能源需求的基础。具有高能量密度和快速充放电能力的锂离子电池提供了电网规模的储能优势，其便携性使其成为生产的关键要素。锂离子电池既可用作主要储能设备，也可用作辅助储能设备，从而提高系统的韧性、能源效率和运营灵活性。在这些测试站中，先进的模拟和建模用于实施控制和优化策略，这对于在低碳基础设施中充分利用锂离子电池技术至关重要。可再生能源引入了可变性和间歇性运行，因此专注于模拟的工具对于保持电站的优化完整性至关重要。锂离子电池通过高效的电化学性能和出色的热性能特性，能够抵御频率波动（动态负荷曲线）。在这种基于模拟的设计中，智能的、时间依赖的监测和系统级控制可以在边界条件下最小化能量损失，从而提高电池效率。在计算机控制的锂离子测试平台上进行的充放电循环期间收集的高分辨率数据为展示性能提供了可靠的实验基础。本研究使用高容量6000毫安时的锂离子电池设计和测试了一个用于工业应用的锂离子储能站。该站点使用充电-放电协议进行测试，放电时间短至960秒，输出功率可达1千瓦。同时观察了电气和热行为。该站点设置允许电池从电网或本地可再生能源以低至中等功率充电，并通过高功率放电支持短期峰值电流，模拟了碳中和绿色生产环境中的优化场景。研究表明，实时优化电气参数可实现高达52%的系统效率，同时保持稳定的运行温度。该站点设计提高了锂离子储能系统的能源效率、耐用性和热管理性能。结果突显了先进电池技术通过整合可再生能源系统来支持无碳生产的潜力，同时也为开发下一代储能解决方案的机械工程师提供了实际见解。

**背景**
全球变暖的加剧推动了向更清洁的工业方法和可持续能源系统的转变，这得益于全球对可再生能源解决方案的兴趣日益增长。太阳能、风能、地热能、生物气体、氢能和燃料电池技术的广泛采用减少了温室气体排放。因此，可再生能源系统的长期性质突显了增强能源安全的必要性。工业领域的联合循环发电厂表明需要越来越多地利用可再生能源系统来实现环境可持续性和经济效率。

**锂离子电池**
锂离子电池是通过储能满足能源需求的电化学能源系统的基础。长循环寿命的锂离子电池凭借其高能量密度和快速充放电能力提供了电网规模的储能优势，而其便携性使其成为生产的关键要素。锂离子电池既可用作主要储能设备，也可用作辅助储能设备，从而提高系统韧性、能源效率和运营灵活性。在这些测试站中，采用先进的模拟和建模来实施控制和优化策略，这对于在低碳基础设施中充分利用锂离子电池技术至关重要。可再生能源引入了可变性和间歇性运行，因此专注于模拟的工具对于维持电站的优化完整性至关重要。锂离子电池通过其高效的电化学性能和出色的热性能特性，能够抵御频率波动（动态负荷曲线）。在这种基于模拟的设计中，智能的、时间依赖的监测和系统级控制可以在边界条件下最小化能量损失，从而提高电池效率。在计算机控制的锂离子测试平台上进行的充放电循环期间收集的高分辨率数据为展示性能提供了可靠的实验基础。本研究使用高容量6000毫安时的锂离子电池设计和测试了一个用于工业应用的锂离子储能站。该站点使用充电-放电协议进行测试，放电时间短至960秒，输出功率可达1千瓦。同时观察了电气和热行为。该站点设置允许电池从电网或本地可再生能源以低至中等功率充电，旨在通过高功率放电支持短期峰值电流，模拟了碳中和绿色生产环境中的优化场景。研究表明，实时优化电气参数可实现高达52%的系统效率，同时保持稳定的运行温度。该站点设计提高了锂离子储能系统的能源效率、耐用性和热管理性能。结果突显了先进电池技术通过整合可再生能源系统来支持无碳生产的潜力，同时也为开发下一代储能解决方案的机械工程师提供了实际见解。

**文献综述**
许多研究强调了能源效率与可持续性的关系。在先前的研究中，Taner [1]、[2]、[3] 通过结合实验表征和热力学定律（能量与可用能量系统）对燃料电池系统进行了研究。提出并分析了使用Nafion膜材料的详细流道设计，以改善燃料电池内的反应物分布并减少压力损失 [1]。基于建模和模拟对燃料电池系统的能量和可用能量进行了分析，以量化运行参数对电气输出性能以及不平衡损失的影响 [2]。结合微观建模方法和实验测量来表征燃料电池中的局部传输现象和性能，从而了解电池架构和运行条件对效率的影响 [3]。这些贡献清楚地表明，严格的、以效率为中心的建模和实验分析可以显著提高电化学能量转换系统的性能。然而，这些研究主要集中在燃料电池上，而本研究将这一能源效率视角扩展到了高容量锂离子电池储能平台，整合了电热测量、往返能量效率分解，并在工业相关的充放电协议下进行了验证的三维热建模。通过系统地改变运行温度、压力、反应物化学计量比和流场/堆栈设计，这些工作量化了关键运行参数对电气效率、可用能量效率和特定燃料消耗的影响，并应用了优化程序来识别在保持所需功率输出的同时最小化损失的运行窗口。尽管这些研究主要关注燃料电池，但它们展示了在电化学能源系统中进行严格的效率导向建模和优化可以带来显著的性能提升，并提供了一种可以应用于锂离子电池储能解决方案的方法论框架。Calise等人 [4] 强调，采用基于可再生能源的高效率技术有助于促进经济和环境可持续性。溴化锂（LiBr）已被纳入光伏和热太阳能收集器中，以促进高效和环保的热能生成。Yan等人 [5] 在可再生能源和储能系统中使用了锂离子电池，将其集成到分布式制冷、供暖和电力系统中，以协调环境和经济因素。Nizetic等人 [6] 分析了热能储能和光伏冷却系统的经济和生态效率，而Kwan等人 [7] 指出，在使用燃料电池和锂离子电池时，热泵的性能至关重要，这些电池通过各种优化技术提供了低维护和高性能。Lin等人 [8] 强调了能量系统的成本效益、效率和安全性，指出他们的新超临界空气储能系统通过降低空气储存压力和最小化能量损失实现了高达65%的能量效率，这也支持了更绿色的生产目标。这些发现突显了电热特性和控制策略的必要性，这些策略明确地将电气运行参数、温度演变和效率指标联系起来。储能显著提高了可持续性和运行效率 [9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。虽然这些研究提供了关于如何从材料、控制和充电角度优化锂离子电池（LIBs）的宝贵见解，但它们通常采用标准的循环剖面，并没有明确模拟低碳制造环境中的工业负荷模式。

**现有研究的不足**
尽管有大量文献，但在以下几个方面仍存在明显差距：(i) 使用高容量电池（6000毫安时）的模块化系统，能够提供约1千瓦的输出；(ii) 在面向应用的短周期工业负荷模式下运行，而不仅仅是标准的电池测试协议；(iii) 结合实时电气优化、详细的效率分解（库仑效率和电压效率）以及经过验证的三维热建模。许多现有研究要么关注低容量实验室电池，要么仅进行理论或基于模拟的分析而无需实验验证，要么单独评估热行为和效率，而不是在综合的电热框架内 [9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。此外，复杂计算技术的进步，特别是利用人工智能（AI）的技术，正在推动下一代储能系统更可持续和高效的材料和设备的发展，这在文献 [19]、[20]、[21]、[22] 中有全面讨论。本研究通过将高能量密度的6000毫安时锂离子电池集成到专门构建的、计算机控制的储能平台中，实现了电化学储能的重大进展。尽管电池建模、热管理和效率优化已经得到了广泛研究，但相对较少的研究将这些方面结合在采用高容量电池的集成实验系统中，并进行了三维热建模的验证。本研究涉及在受控实验室条件下对1000多次充放电循环中的电流和电压进行优化，使用SolidWorks和ANSYS软件进行详细电热特性分析和有限元模拟。此外，通过考虑电流流动和返回的能量效率以及温度分布对库仑效率的影响来优化电压。在保持可接受运行温度的同时，电热状态保持稳定，显示出能源效率的显著提升。本研究设计了电热效果显著的储能解决方案，以产生具有成本效益的能源。

**创新点**
本研究通过将电极材料和主动热管理组件与使用动态电化学控制的模块化测试站相结合，实现了重大创新。ANSYS和SolidWorks建模和模拟工具通过支持高分辨率的电气和热数据集做出了贡献。研究发现突显了锂离子系统的热电行为，强调它们将通过对无碳清洁能源的高能源需求行业大有帮助。

**主要贡献**
本研究的主要贡献可总结如下：(i) 实现了一个6000毫安时锂离子电池测试平台，能够使用高分辨率电热监测执行960秒的充放电协议；(ii) 在非对称充放电功率水平下，联合评估并分离了往返能量效率的库仑效率和电压效率成分；(iii) 根据测量的表面温度对三维热模型进行了定量验证，包括均方根误差（RMSE）和平均偏差分析；(iv) 在受控实验室条件下，通过1000次循环（重复）的控制温度升高，能量效率从大约43%提高到了56%，同时保持稳定的容量。因此，本研究通过实验测试性能提升方法并提供可扩展的设计方法，加速了低碳、高效锂离子储能设备的实施。该系统将模拟和应用联系起来，为可持续工业电化学系统的发展提供了路线图。

**材料与方法**
本研究专门设计了一个锂离子电池储能测试站，用于评估高容量锂离子电池在符合热力学边界条件下的充电和放电条件下的性能。选择锂离子电池是因为它们具有优越的能量密度、紧凑的尺寸、轻量级的结构、长的使用寿命、低维护要求以及快速的充电/放电能力。测试站被配置为支持...

**结果与讨论**
储能系统经历了960秒的控制充放电循环，以评估电流、电压和功率特性。这些参数被分析以评估系统性能并优化能源效率。使用MATLAB R2021A生成了详细的图表，展示了充放电行为的变化以及参数优化的影响。

**结论**
本研究提出了基于高容量6000毫安时电池的模块化锂离子电池储能系统的综合电热分析，使用了适合工业应用的960秒充放电协议。本研究的主要发现和贡献如下：
- 功率密度提高：测试站表明，在变化功率条件下，从电网或可再生能源获得的功耗适中（约101–129瓦）。

**资助**
本研究得到了Aksaray大学科学研究项目机构的支持和资助（资助编号2021-014 - 研究时间：2021年5月至2023年12月）。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本研究得到了Aksaray大学科学研究项目机构的支持和资助（资助编号2021-014 - 研究时间：2021年5月至2023年12月）。